DE204071C - - Google Patents

Description

V C

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 204071 -^ KLASSE 21 έ/. GRUPPE

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Gleichstrommaschinen und -motoren und bezweckt die Neutralisierung oder Überwindung der Ankerrückwirkung, d. h. des quermagnetisierenden Effekts des Ankerfeldes, das um 90 elektrische Grade zum eigentlichen Felde versetzt liegt, und im besonderen die FeIdreglung und die !Commutation von Maschinen, die mit »verteilten« Feldwicklungen ausgestattet-sind.

Die Erfindung betrifft in erster Linie die Anordnung einer gehörig bemessenen Reihenfeldwicklung von einfacher und wirksamer Form, die einem dreifachen Zwecke gerecht wird, nämlich erstens die Haupterregung liefert, zweitens die Ankerrückwirkung ausgleicht, drittens das Wendefeld erzeugt, welches die funkenlose Stromwendung bewirkt.

Weiter betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Verschieben der magnetisierenden Wirkung der genannten Feldwicklung in der Weise, daß die Bürsten ortsfest bleiben können, wenn die Drehungsrichtung umgekehrt wird.

Drittens sieht die Erfindung eine einfache Vorrichtung zum Ändern der Erregungsstärke einer Feldwicklung der vorstehend gekennzeichneten Art vor, und im allgemeinen stellt sie eine Verbesserung insofern dar, als die Arbeitsweise der Maschine vervollkommnet ist und gleichwohl ihr Umfang, Gewicht und die Herstellungskosten erheblich verringert sind.

Bekanntlich verursacht eine »verteilte« Feldwicklung für Gleichstrommaschinen besondere Schwierigkeiten bezüglich der !Commutation, und zwar hauptsächlich aus dem Grunde, weil der Polbogen sich über ganze 180 elektrische Grade erstreckt und der geringe Luftraum in der »neutralen« Zone die induktive Spannung in den kommutierten Ankerspulen erhöht. Um eine vollkommene !Commutation zu gewinnen, muß man nicht nur die Ankerrückwirkung ausgleichen, sondern auch ein Wendefeld schaffen, das die Ströme in den durch die Bürsten kurzgeschlossenen Spulen gehörig umkehrt.

In der Zeichnung ist

Fig. ι eine schematische Darstellung eines umkehrbaren Motors mit einer Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 stellt schematisch einen anderen Motor mit zwei Feldwicklungen dar, die ähnlich wie die einfache Feldwicklung nach Fig. 1 wirken. Fig. 2 soll gegenüber Fig. 1 die Vorzüge der Anordnung nach Fig. 1 deutlich erkennen lassen. Die ■

Fig. 3 und 4 sind Induktionsdiagramme (Felddiagramme) zu Fig. 1 bzw. 2.

Fig. 5 ist eine andere schematische Darstellung der Feld- und Ankerwicklungen der Fig. i, aus der die Art, in welcher die Feld-Polaritäten verschoben werden, wenn die Erregungskomponente der Feldwicklung auf ein Minimum beschränkt ist, zu ersehen ist.

Fig. 6 ist eine ähnliche Darstellung der Feld- und Ankerwicklungen der Fig. 1 und veranschaulicht die Art, in welcher die Er-

regungskomponente der Feldwicklung durch Zuführung eines besonderen Erregungsstromes zum Hauptstrom geändert werden kann.

Fig. 7 ist ein Vektordiagramm der Felder. In Fig. ι ist α der Anker, c der Stromwender und f der Feldmagnet eines zweipoligen Motors. Anker und Feldmagnet sind der Übersichtlichkeit in der Zeichnung wegen mit Grammeringwicklung bewickelt dargestellt;

ίο in der Praxis wird man der Trommelwicklung (in Schlitzen gewickelt) als auch einer mehrpoligen Maschine bei Arbeitsmaschinen den Vorzug geben. ι bis 12 sind die ortsfesten und 27 bis 34 die beweglichen Kontakte eines Schalters. Mit 25 und 26 sind die Hauptleitungen, mit 21 und 22 Anlaß- bzw. Geschwindigkeitsreglungswiderstände bezeichnet. Die Widerstände 23 und 24 dienen zur Herabsetzung der Stärke der Erregungskomponente der Feldwicklung bei den höheren Geschwindigkeiten. 0 und 13, 14 und 17, 16 und 19 sind Klemmen der Feldwicklung, die bzw. mit den ortsfesten Schaltkontakten 1 und 3, 4 und 7, 6 und 9 verbunden sind. Die Bürsten des Kommutators sind mit 18 und 20 bezeichnet. Die Wirkungsweise der Maschine ergibt sich bei Betrachtung des Laufs der Ströme durch die verschiedenen Stromkreise bei einer bestimmten Stellung des Schalters, beispielsweise der dritten Stellung, die Fig. 1 veranschaulicht. Von der Hauptleitung 26 fließt der Strom in Richtung der Pfeile über die Kontakte 5, 28 und 4 zur Klemme 14, wo er sich in der Feldwicklung, wie aus den Pfeilen hervorgeht, teilt und dann die Feldwicklung bei der Klemme 17 unter Erzeugung der Polaritäten N, S verläßt.

Von der Klemme 17 fließt der Strom weiter über die Schaltkontakte 7, 29 und 8 zur Bürste 18, wo er sich wiederum in der Ankerwicklung spaltet (vgl. die Pfeile) und diese unter Erzeugung der Ankerpolaritäten N, S durch die andere Bürste 20 verläßt. Von hier geht der Strom über Kontakte 10, 30 und 12 zur Hauptleitung 25 zurück, wobei die Anlaßwiderstände in dieser Stellung des Schalters kurzgeschlossen sind. In der vierten Stellung des Schalters werden die Feldklemmen ο und 13, die um 90 elektrische Grade zur Achse des Ankerfeldes N S versetzt sind, über die Widerstände 23 und 24 kurzgeschlossen. In der fünften Stellung ist allein der Widerstand 23 in den Kurzschluß geschaltet. Die Wirkung des Kurzschlußstromkreises 0, 23, 24, 13 oder 0, 23, 13 bewirkt, daß die Erregungskomponente des wirksamen Feldes geschwächt und dadurch die Geschwindigkeit des Motors erhöht wird, wie noch weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert werden soll. j

Werden die rechtsseitigen beweglichen i Schaltkontakte mit den ortsfesten Kontakten ' in Berührung gebracht, so wird der Hauptstrom in die Feldwicklung bei 16 (anstatt 14) eintreten und bei 19 (anstatt 17) austreten, so daß die Pole N, S des Feldmagneten entsprechend verschoben werden. Die Folge davon ist eine Umkehrung der Drehrichtung. Bei der Maschine nach Fig. 1 sind die Hauptstromfeldklemmen um 45 elektrische Grade zur Achse des Ankerfeldes versetzt, und die Feldwicklung besitzt doppelt so viele Windungen als die Ankerwicklung.

In Fig. 3 stellen die Sinuskurven b und d Feld-(Induktions-)diagramme entsprechend den Amperewindungen der Feld- und Ankerwicklungen nach Fig. 1 dar, und zwar veranschaulicht die Kurve b das Hauptfeld und die Kurve d das Ankerfeld; beide Kurven sind nach Maßstab gezogen. Addiert man. die beiden Kurven in bekannter Weise, so erhält man eine neue Sinuskurve e, die das resultierende Feld darstellt, d. h. das infolge der Ankerrückwirkung verdrehte wirksame Feld.

Fig. 2 veranschaulicht einen Motor mit gleichem Anker wie in Fig. 1 und ähnlichem Feldmagneten; der einzige Unterschied zwischen beiden Motoren besteht darin, daß in Fig. 2 der Feldmagnet mit zwei gesonderten Wicklungen . versehen ist, deren Klemmen um go 90 elektrische Grade zueinander versetzt liegen. Jede Wicklung enthält eine bestimmte Anzahl Windungen im Vergleich zur Zahl der Windungen der Wicklung nach Fig. 1, und zwar ist das Zahlenverhältnis wie 17 zu 24 oder gleich dem Sinus 45 °. Die Stromkreisverbindungen in Fig. 2 sind ohne die Schaltvorrichtung dargestellt, da es hier lediglich auf die Verdeutlichung der Wirkungsweise der Doppelwicklung des Feldmagneten ankommt. Der Strom tritt hier bei 35 in die erste Feldwicklung und verläßt sie bei 36. Klemme 36 ist mit 37 der zweiten Wicklung verbunden, die der Strom bei 38 verläßt, um dann, wie bei Fig. 1, durch die Ankerwicklung zu fließen.

Die Klemmen der ersten Feldwicklung, die als Erregerwicklung dient, liegen um 90 elektrische Grade zur Achse der Ankerwicklung verschoben, und die Klemmen der zweiten Wicklung, welche der Ankerrückwirkung entgegenwirkt, stehen den Bürsten gegenüber.

In Fig. 4 stellen die Sinuskurven g und h beziehentlich die Feldstärken aus der ersten und der zweiten Wicklung dar; die Kurven sind in gleichem Maßstabe wie in Fig. 3 gezeichnet. Die Kurve d (Fig. 4) gibt, wie in Fig. 3, die relative Stärke des Ankerfeldes an. Die Differenz von h und d gibt ohne weiteres die Stärke des Wendefeldes, die genau der nach Fig. 3 gleichkommt. Die Stärke des Wendefeldes läßt sich auch in der Weise finden, daß man zuerst die Kurven g und h

addiert, die Kurve b erzeugt und dann durch Addition der Kurven b und d die Kurve e (die gleiche wie in Fig. 3) gewinnt, die das durch die Ankerrückwirkung verschobene resultierende Feld angibt.

Die Einzelfeldwicklung in Fig. 1 ist also einer Erregungswicklung 35, 36 (Fig. 2) plus einer zweiten Wicklung 37, 38 gleichwertig und vermag nicht nur die Haupterregung zu liefern, sondern die Ankerrückwirkung auszugleichen und ein Wendefeld zu liefern. Der Vorteil der einzigen Wicklung nach Fig. 1 ergibt sich unter anderem aus der Tatsache, daß das Verhältnis zwischen den Gesamtfeldwindüngen in den Fig. 1 und 2 wie 24 zu 34 ist; es ist also ein wesentlich geringerer Kupferverbrauch, Raumersparnis und Fortfall von Isolationsschwierigkeiten gesichert. ·

In Fig. 5 bedeuten die beiden Kreise die Feld- und die Ankerwicklungen nach Fig. 1. In Fig. ι waren die Klemmen ο und 13 durch die Widerstände 23 Und 24 verbunden. In Fig. 5 sind die gleichen Klemmen unmittelbar kurzgeschlossen. Angenommen, ein Gesamtstrom von 40 Amp. fließe durch die Motorstfomkreise, so wird sich dieser Strom bei der Klemme 14 wie folgt teilen: Im Stromkreise 14, 0, 13, 17 werden 30 Amp. und im Kreise 14, 16, 13, 0, 19, 17 werden 10 Amp. fließen, da das Verhältnis der Widerstände in den beiden Stromkreisen offenbar gleich 1 zu 3 ist. Daraus folgt, daß die Amperewindungen auf den kurzen Strecken 14-0 und 13-17 der Feldwicklung gleich den Amperewindungen auf den längeren Strecken 14-16-13 und 0-19-17 sind. Die Wirkung solcher ungleichen Verteilung der Amperewindungen in der Feldwicklung besteht darin, daß die Feldpolaritäten (bei Fortlassung der Wirkung der Ankerrückwirkung), wie in Fig. 5 angedeutet, verschoben werden, bis sie fast den Polen des Ankers (oder Ankerfeldes) gegenüberstehen.

Anstatt 0-13 kurzzuschließen, könnte man nämlich die gleiche Stromverteilung herstellen unter der Voraussetzung, daß ein Strom von 20 Amp. bei 13 in das Feld eintritt. Es fließen dann 20 Amp. von 14-17 und 10 Amp. von 13-14-0. Daher ist der resultierende Strom in 14-16-13 = 20 —10 und in 14-0 = 20 + 10 — 30 Amp.

Magnetisch gleichwertig wären hier zwei gleiche Feldwicklungen, bei denen in die eine ein Strom von 40 Amp. bei 14 und in die andere ein solcher von 20 Amp. bei 13 eintritt.

Im Diagramm (Fig. 7) bezeichnet 0-14 das ursprüngliche Hauptfeld bei 40 Amp., 0-13 das angenommene Feld bei 20 Amp., das entsprechend der Versetzung der Punkte 13 und 14 um einen < α gegenüber dem Hauptfeld verschoben ist. ■ .

Da die Amperezahlen im Verhältnis 1 zu 2 stehen und die Windungszahl die gleiche ist, so muß die Feldstärke 0-13 gleich der Hälfte von' 0-14 sein. Die Resultante dieser beiden Felder ist o-R, die dann das wirkliche Feld darstellt, welches aus einem Kurzschluß der Punkte 0 und 13 resultiert. Wie ersichtlich, ist das Hauptfeld aus seiner ursprünglichen Lage gegen 13 hin verschoben, und daher ist die Erregerkomponente von £-14 bis auf E-R vermindert worden, während die Kompensations- und Kommutationskomponente 0 - E konstant bleibt.

Aus dem vorstehenden ist also zu entnehmen, daß bei der Herstellung eines Kurzschlusses zwischen den Feldklemmen 0 und 13 nicht nur die senkrecht zum Ankerfeld wirkende Erregungskomponente geschwächt wird, sondern auch die Feldpole gegen die Ankerpole in der Weise verschoben werden, daß ein starkes Wendefeld bei schwachen Feldstärken gesichert wird. Nimmt man im vorliegenden Falle (siehe Fig. 5) an, Feldwindungen seien doppelt so viel wie Ankerwindungen vorhanden und die Hauptfeldklemmen unter 45 ° zum Ankerfelde geneigt, so ist die Stärke der Erregungskomponente in Wirklichkeit auf weniger als ¹Z₃ der vollen Feldstärke herabgemindert worden, d. h. die Geschwindigkeit des Motors (bei konstanter Strommenge) ist um etwa 300 Prozent erhöht worden.

Die vorstehend erläuterte Methode der Verringerung der Feldstärke und der dabei sich ergebenden Steigerung der Geschwindigkeit des Motors hat auch noch den Vorteil, daß der Hauptstrom bei Änderung des Stromes oder der Spannung nicht durch einen nichtinduktiven Weg stürzen kann, ohne die Feldampere windungen zu beeinflussen. Es ist allgemein bekannt, daß es in manchen Fällen ganz untunlich ist, die Feldstärke durch Kurzschließen eines Teils des Feldstroms mittels nichtinduktiver Widerstände, die parallel zur Feldwicklung angeordnet sind, herabzusetzen, da in solchem Falle bei plötzlichen Änderungen in der Spannung der Strom zuerst durch den nichtinduktiven Weg geht.

Fig. 6 veranschaulicht eine andere Ausführung der Einrichtung zur Reglung der Stärke des Erregungsfeldes. Ein kleiner Motorgenerator 39, 40 ist hier vorgesehen, der dem Feldmagneten eine Zusatzerregung zur Erregung aus dem Hauptstrom erteilt. Durch Änderung der Erregung des Motorgenerators läßt sich die Geschwindigkeit der Hauptmaschine innerhalb weiter Grenzen regeln. Der an die Hauptmaschine angeschlossene Teil des Motorgenerators kann hierbei als Motor oder Gene- -, rator laufen, je nachdem er treibt oder getrieben wird. Eine solche gesonderte oder unabhängige Erregung läßt sich natürlich auch

Claims (3)

aus einer anderen beliebigen Stromquelle herleiten, z. B. aus einer Sammlerbatterie. Ändert man den Winkel, in dem die Hauptfeldklemmen 14 und 17 ,bzw. 16 und ig zur Achse des Ankerfeldes liegen, sowie die Windungszahl der Feldwicklung, so kann man auch den Charakter des Feldes ändern und nach Wunsch ein starkes Verbundfeld oder ein Differentialfeld oder ein einfaches Nebenschlußfeld erhalten. Der Nebenschlußcharakter bei der Anordnung nach Fig. 6 bleibt erhalten, wenn die Feldklemmen 14, 17 und 16,19 gegenüber den Bürsten zusammen bewegt werden. Die oben beschriebene einfache Form der Feldwicklung ist besonders für Eisenbahnmotoren u. dgl. Maschinen verwendbar. Man kann mit der vorliegenden Erfindung eine wesentliche Verringerung des Durchmessers und des Gewichts der Maschinen herbeiführen. Die verteilte Feldwicklung läßt sich besser ventilieren, die !Commutation wird vollkommen, die heute üblichen Spannungen lassen sich erheblich erhöhen und eine äußerst wirksame und vollkommene Feldreglung (Geschwindigkeitsreglung) wird gewonnen. Die Einrichtung nach Fig. 6, bei der eine einzige Feldwicklung in Reihe mit dem Anker so geschaltet ist, daß die Wicklung zur Erregung, zur Kompensation und zur Kommutation dient, während die Stärke der Erregungskomponente der Wicklung in der Hauptsache durch eine äußere Stromquelle geregelt wird, ist für zahlreiche Maschinen verwendbar, beispielsweise für abwechselnd als Generator und Motor laufende Dynamomaschinen und für Hochspannungsdynamos, wobei die kostbaren und störenden Feindrahtnebenschlußspulen in Fortfall kommen können. Pat en τ-A NSP rüche:

1. Gleichstrommaschine mit einem Stromwender und einer einzigen verteilten Feldwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei diametral zueinander liegende Hauptklemmen der mit dem Anker hintereinander geschalteten Feldwicklung um weniger als go elektrische Grade zur Achse des Ankerfeldes versetzt angeordnet sind, während gleichzeitig zwei andere, zu den Hauptklemmen versetzte diametrale Hilfsklemmen der Feldwicklung entweder unmittelbar oder über einen Reglungswiderstand kurzgeschlossen sind, zu dem Zwecke, mit Hilfe einer einzigen Feldwicklung drei regelbare Felder zu schaffen, von denen eins die wirksame Erregung liefert, während die anderen beiden die Ankerrückwirkung ausgleichen und funkenlose.Kommutierung bewirken.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß noch ein zweites, symmetrisch zur Achse des Ankerfeldes liegendes Paar Hauptklemmen vorgesehen ist, welches bei Umkehr der Drehrichtung der Maschine an Stelle des ersten Paares tritt.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kurzschluß der Hilfsklemmen statt eines Reglungswiderstandes eine beliebige unabhängige Stromquelle regelbarer elektromotorischer Kraft geschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.